NR 285 BIULETYN INSTYTUTU HODOWLI I AKLIMATYZACJI ROŚLIN 2019 103 MONIKA RAKOCZY-TROJANOWSKA 1 MAGDALENA ŚWIĘCICKA 1 BEATA BAKERA 1 ANNA WLAZŁO 1 MARTA DMOCHOWSKA-BOGUTA 2 WACŁAW ORCZYK 2 MARIUSZ KOWALCZYK 3 ANNA STOCHMAL 3 1
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
2
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików
3
Instytut Uprawy, Nawożenie i Gleboznawstwa — Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Benzoksazynoidy — skuteczna broń żyta
przeciwko stresom biotycznym i abiotycznym
Benzoksazynoidy (BX) są metabolitami wtórnymi, występującymi głównie u gatunków z rodziny Poaceae i sporadycznie u gatunków roślin dwuliściennych, biorącymi udział w reakcjach odpornościowych na stresy biotyczne i abiotyczne oraz w allelopatii (Niemeyer, 2009; Makowska i in., 2015). Wieloetapową biosyntezę tych związków u kukurydzy, najlepiej pod tym względem poznanego gatunku, kontroluje 14 genów: Bx (Bx1 — Bx14), glu i GT (Frey i in., 2009, Meihls i in. 2013, Handrick i in., 2016). U żyta dotychczas wyizolowano 9 genów — ScBx1 – ScBx7, Scglu i ScGT (Sue i in., 2011; Bakera i in., 2015; Tanwir i in., 2017). Ponadto, w naszym zespole sklonowano gen ScIgl, który przejmuje rolę genu ScBx1 w późniejszych stadiach rozwojowych (Rakoczy-Trojanowska i in., 2018; plakat Wlazło i in., 2019).
Żyto charakteryzuje się szczególnie wysoką zawartością BX, jednak ich rola w odpowiedzi na stresy biotyczne (w tym obecność allelozwiązków wokół ryzosfery) i abiotyczne do czasu podjęcia badań przez nasz zespół była niejasna. Nieznana też była zależność poziomu ekspresji genów kontrolujących biosyntezę BX od wpływu czynników środowiskowych.
Celem prac badawczych prowadzonych w ramach projektu NCN Nr UMO-2015/19/B/NZ9/00921 było zbadanie czy i w jaki sposób wybrane stresy biotyczne i abiotyczne wpływają na biosyntezę BX oraz na ekspresję genów ScBx, ScIgl i Scglu u
Monika Rakoczy-Trojanowska ...
104
trzech wsobnych linii żyta: L318, D33 i D39 wytypowanych na podstawie wcześniejszych eksperymentów.
STRESY BIOTYCZNE
Allelozwiązki. Stwierdzono, że ko-uprawa żyta z koniczyną aleksandryjską wpływa zarówno na ekspresję genów ScBx, ScIgl i Scglu, jak i syntezę BX, jednak reakcja jest uzależniona od genotypu, części rośliny (korzenie, części nadziemne), czasu trwania ko-uprawy; różnice dotyczyły też poszczególnych genów i metabolitów. W odniesieniu do ekspresji genów największe różnice zaobserwowano u linii D39, w nadziemnych częściach roślin, po 6 tygodniach uprawy z koniczyną. Największe zmiany poziomu biosyntezy BX stwierdzono w korzeniach linii D33 po 4 tygodniach uprawy z koniczyną. Ko-uprawa z koniczyną miała największy wpływ na ekspresje genu ScBx3 i syntezę dwóch metabolitów: GDIBOA i DIBOA W blisko 55% przypadków synteza BX była istotnie skorelowana z ekspresją genów. W niektórych przypadkach zmianom ekspresji genów i syntezy metabolitów w korzeniach roślin uprawianych z koniczyną towarzyszyły takie same zmiany w częściach nadziemnych.
Inokulacja Puccinia recondita f.sp. secalis(Prs). Inokulacja Prs spowodowała wzrost ekspresji genów ScBx1, ScBx2 i ScBx4 u wszystkich linii żyta po 8 godzinach od inokulacji oraz genu ScBx3 u linii L318, i genu ScBx4 u linii D39 — po 48 godzinach od inokulacji. W pierwszym punkcie czasowym obserwowano strzępki penetrujące, a w drugim — komórki macierzyste haustoriów. Analizy ekspresji genów ScBx i ScIgl w korzeniach są w trakcie wykonywania i ich wyniki zostaną zaprezentowane podczas konferencji.
STRESY ABIOTYCZNE
Stres podwyższonego zasolenia. Zbadano profile ekspresji sześciu genów:
ScBx1÷ScBx6 u 11 niespokrewnionych linii wsobnych żyta, po 4 i 24 godzinach od
zainicjowania stresu (podlanie roślin roztworem 100 mM NaCl). Poziom ekspresji genów
ScBx1÷ScBx4 osiągał najwyższą wartość po 4 godzinach od zainicjowania stresu, a po
upływie 24 godzin ulegał obniżeniu, ale nadal był wyższy niż w warunkach kontrolnych. Geny ScBx5 i ScBx6 ulegały ekspresji na poziomie nie różniącym się istotnie od kontroli, niezależnie od linii i czasu wzrostu w warunkach stresu.
Jarowizacja. Poziom ekspresji wszystkich badanych genów — ScBx1-ScBx5, ScIgl oraz Scglu po okresie 7-tygodniowej jarowizacji w komorze fitotronowej zmniejszył się. Jednak w kolejnych punktach czasowych (1 i 3 tygodnie uprawy w podwyższonej temperaturze), poziom ekspresji genów w częściach nadziemnych roślin, które były poddane jarowizacji był wyższy, niż u roślin w tym samym wieku, ale nie poddanych stresowi niskiej temperatury. Odwrotną relację obserwowano w przypadku korzeni, z wyjątkiem genu ScIgl kodującego liazę indologlicerolową (IGL), którego profil ekspresji był podobny w obu częściach roślin. W korzeniach wszystkich badanych linii oraz w częściach nadziemnych linii D33 i D39, ekspresja genu ScBx1 (również kodującego IGL)
Monika Rakoczy- Trojanowska ...
105 po 1 tygodniu uprawy w podwyższonej temperaturze (zarówno u roślin, które były poddane jarowizacji, jak i u kontrolnych) była niewykrywalna; natomiast ekspresja genu
ScIgl (również kodującego IGL) utrzymywała się na stałym poziomie, niewiele niższym
niż u roślin 3-tygodniowych.
Na podstawie uzyskanych wyników można wyciągnąć jednoznaczny wniosek, że BXy pełnią istotną funkcję w reakcji na oba rodzaje stresów. Po raz pierwszy wykazano, że modyfikowana jest zarówno ekspresja genów kontrolujących biosyntezę BX, jak i sama biosynteza. Stwierdzono, że żyto jest nie tylko donorem allelozwiązków, ale również reaguje na ich obecność w ryzosferze uruchamiając mechanizmy obronne, a BX mogą być ich istotnym elementem. W niektórych przypadkach zaobserwowano przekazywanie sygnału o zaistnieniu sytuacji stresowej z korzeni do nadziemnych części roślin i odwrotnie. Szczególnie interesujące wydają się wyniki w odniesieniu do genów ScBx1 i ScIgl, które zaprzeczają niektórym z powszechnie powielanych opinii.
LITERATURA
Bakera B, Makowska B, Groszyk J i in. 2015. DOI: 10.1007/s13353-015-0271-z. Frey M., Schullehner K., Dick R. i in. 2009. DOI: 10.1016/j.phytochem.2009.05.012. Handrick V., Robert C.A.M., Ahern K. R. i in. 2016. DOI.org/10.1105/tpc.16.00065. Meihls LN, Handrick V, Glauser G i in. 2013. DOI.org/10.1105/tpc.113.112409. Niemeyer H. M. 2009. DOI: 10.1021/jf8034034.
Rakoczy-Trojanowska M., Święcicka M., Rymuszka J., Stochmal A., Kowalczyk M. 2018. EUCARPIA Cereal Section / IWIW2 Meetings, March 19-22, 2018. Polydôme, Clermont-Ferrand, France: PI-23. Sue M., Nakamura C., Nomura T. 2011. DOI.org/10.1104/pp.111.182378.
